(57)【要約】【課題】バンプズレ落ち現象を防止した半導体チップボンディング方法及び半導体チップボンディング装置を提供する。【解決手段】上記課題を解決するために、半導体チップが備えるバンプと基板が備えるボンディングパッドとを上下に対向配置するアラインステップ、バンプをボンディングパッドに圧接して熱圧着するチップボンディングステップ、バンプとボンディングパッド間の接触荷重を検出する荷重検出ステップ、バンプとボンディングパッドとをボンディングする間に接触荷重が設定荷重の値に達するまで半導体チップを基板方向に送り出し、設定荷重の値に達してからは、半導体チップと基板との距離を一定に維持する荷重制御・維持ステップと、バンプを冷却して固化させるバンプ冷却ステップとを含む工程を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に半導体チップを実装する半導体チップのボンディング方法であって、以下のステップを含むことを特徴とする半導体チップボンディング方法。
アラインステップ：  半導体チップの一方の面に突出するように形成したバンプと基板の上面に前記バンプと対応するように形成したボンディングパッドとを上下に対向配置するステップ。
チップボンディングステップ：  前記半導体チップを前記基板の方向に移動して当該半導体チップが備える前記バンプを当該基板が備える前記ボンディングパッドに圧接して熱圧着するステップ。
荷重検出ステップ：  前記半導体チップが備える前記バンプと前記基板が備える前記ボンディングパッドとの間の接触荷重を検出するステップ。
荷重制御・維持ステップ：  前記半導体チップと前記基板とをボンディングする間に検出する前記接触荷重が設定荷重の値に達するまで当該半導体チップを当該基板の方向に一定速度で送り出し、当該接触荷重が当該設定荷重の値に達してからは、その後のボンディング時間に当該半導体チップと当該基板との距離を一定に維持するステップ。
バンプ冷却ステップ：  所定の前記ボンディング時間が経過した後、前記バンプを冷却して固化させるステップ。
【請求項２】
前記アラインステップは、以下の工程を含むステップであることを特徴とする請求項１に記載の半導体チップボンディング方法。
基板固定ステップ：  前記基板をステージ上に固定するステップ。
半導体チップ配置ステップ：  モーターの駆動によって昇降するボンディングアームに支持されたボンディングヘッドに前記半導体チップを固定し、当該半導体チップと前記基板とを対向配置するステップ。
【請求項３】
前記ボンディングヘッドは前記半導体チップの他方の面を真空吸着により固定するものであることを特徴とする請求項２に記載の半導体チップボンディング方法。
【請求項４】
前記荷重検出ステップは、前記ボンディングアームと前記ボンディングヘッドとの間に配置されたロードセルにより前記接触荷重を検出するステップであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の半導体チップボンディング方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４に記載の半導体チップボンディング方法で用いる半導体チップのボンディング装置であって、以下に示す構成部品を備えるものであることを特徴とする半導体チップボンディング装置。
ステージ：  上面にボンディングパッドを形成した基板を固定する部品。
ボンディングヘッド：  一方の面に突出するように形成したバンプを備える半導体チップの他方の面を真空吸着により固定し、前記基板が備えるボンディングパッドと前記半導体チップが備えるバンプとが互いに対向するように、当該半導体チップを当該基板上に配置する部品。
ボンディングアーム：  前記ステージの上方に設けたモーターの駆動によって昇降し、前記ボンディングヘッドを支持する部品。
ロードセル：  前記ボンディングアームと前記ボンディングヘッドとの間に配置され、前記半導体チップが備える前記バンプと前記基板が備える前記ボンディングパッドとの間の接触荷重を検出する部品。
制御デバイス：  前記モーターに信号を伝送して前記ボンディングアームを下降させ、前記ボンディングヘッドに固定した前記半導体チップが備える前記バンプを前記基板が備える前記ボンディングパッドに圧接してボンディングを行い、当該半導体チップと当該基板とをボンディングする間に前記ロードセルが検出する荷重の値が設定荷重の値に達するまで当該半導体チップを当該基板方向に一定速度で送り出し、当該ロードセルが検出する荷重の値が当該設定荷重の値に達してからは、その後のボンディング時間に当該半導体チップと当該基板との距離を一定に維持するように制御する部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件発明は、半導体チップが備えるバンプを基板が備えるボンディングパッドに直接熱圧着してボンディングする半導体チップボンディング方法及び半導体チップボンディング装置に関し、特には、半導体チップが備えるバンプを基板が備えるボンディングパッドに熱圧着ボンディングする時に発生するバンプのズレ落ち現象を防止して高品質のパッケージ半導体を製造できる半導体チップボンディング方法及び半導体チップボンディング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に半導体産業で使用しているパッケージ半導体は、微細回路に設計してある半導体チップを外部環境から保護した状態で電子機器に実装して使用するために、モールド樹脂やセラミックスなどで封止したものである。最近では、半導体チップを密封して保護したり、単に電子機器に実装したりするために半導体チップをパッケージングするだけではなく、電子機器の性能や品質を向上させて、小型化、薄型化及び高機能化を達成するために半導体チップをパッケージングしている。
【０００３】
また、最近の傾向である、ラップトップコンピュータや携帯電話機などの携帯情報機器の軽量化、薄型化及び高機能化を達成するためにも、半導体チップの高密度実装技術が必要になる。即ち、高密度集積化の進展に伴って、半導体チップには外部接続端子となる多くのバンプが微細なピッチで形成されることになり、このような半導体チップを基板上に形成したボンディングパッドに短絡や接続不良を発生することなく迅速に実装するためには、高密度実装に対応した技術が必要である。その代表的な実装技術として、所謂、フェースダウン（Ｆａｃｅ−Ｄｏｗｎ）ボンディング方式がある。
【０００４】
フェースダウンボンディング方式は、接続端子とするバンプを半導体チップの表面に形成して複数のバンプを備える半導体チップを製造し、この複数のバンプを回路基板などのボンディングパッドに１回のボンディング操作だけで接続する技術である。
【０００５】
図５に、従来の半導体チップボンディング方法を説明するブロック図を示す。図６に、図５の実施形態における半導体チップの移動距離と接触荷重との推移を、ステップを追ったグラフで示す。図７に、半導体チップを基板にボンディングする際に発生する、バンプのズレ落ち現象を示す模式図を示す。図８に、図７に示す現象を伴うボンディング工程における半導体チップの移動距離と接触荷重の推移を、ステップを追ったグラフで示す。
【０００６】
従来の半導体チップボンディング方法は、図５に示すように、アラインステップＳ１１とチップボンディングステップＳ２１と荷重検出ステップＳ３１と荷重フィードバック制御ステップＳ４１とバンプ冷却ステップＳ５１とで構成されている。
【０００７】
アラインステップＳ１１では、半導体チップの一方の面に突出するように形成したバンプと基板の上面にバンプと対応するように形成したボンディングパッドとを上下に対向配置する。
【０００８】
チップボンディングステップＳ２１では、対向配置した基板方向に半導体チップを移動して半導体チップが備えるバンプを基板が備えるボンディングパッドに圧接して熱圧着する。
【０００９】
荷重検出ステップＳ３１では、半導体チップが備えるバンプと基板が備えるボンディングパッドとの間の接触荷重を検出する。
【００１０】
荷重フィードバック制御ステップＳ４１では、半導体チップと基板とをボンディングする間に検出した接触荷重が設定荷重の値よりも小さい場合には半導体チップを基板方向に一定の速度で送り出し、設定荷重の値よりも大きい場合には半導体チップを基板から遠ざける動作を繰り返して制御する。
【００１１】
バンプ冷却ステップＳ５１では、所定のボンディング時間が経過した後、バンプＢを冷却して固化させる。
【００１２】
図６に、半導体チップを基板方向に移動して基板に圧接して熱圧着し、半導体チップを基板にボンディングした後に基板からボンディングヘッドを遠ざける過程における半導体チップの移動距離と接触荷重の推移をステップを追って示す。このように、荷重フィードバック制御ステップＳ４１では、半導体チップが備えるバンプが基板が備えるボンディングパッドに接触した後、設定荷重に達するまでは半導体チップを基板の方向に送り出し、設定荷重の値を超えると半導体チップを基板から遠ざけるようにして荷重制御を行っている。即ち、荷重制御は半導体チップを基板に対して上下方向に移動して行っている。具体的には、半導体チップを支持しているボンディングヘッドとボンディングアームとの間に配置されたロードセル（ｌｏａｄ  ｃｅｌｌ）が検出する接触荷重を設定荷重の値と比較して制御している。
【００１３】
しかしながら、従来の半導体チップボンディング方法である、設定荷重の値のみを参照して半導体チップＣの上下動を繰り返す荷重フィードバック制御を行うと、半導体チップを基板上にボンディングする時、特に微細ピッチパッケージでは、半導体チップＣが備えるバンプＢと基板Ｓが備えるボンディングパッドＰとの上下対応が一致していなかったり、バンプＢの形状が傾いて形成されているなど、バンプの突出状態が均一ではない異常状態が存在すると、図８に示すグラフのように作動して図７に示すボンディング不良部分が発生することがある。即ち、半導体チップＣが備えるバンプＢが基板Ｓが備えるボンディングパッドＰからズレ落ちてしまい、ボンディングが良好に行われないか、又はボンディング面積が小さくなって、小さな衝撃が加わってもボンディング部分が破断するという問題が発生する。また、隣接するバンプとボンディングパッドとの間の良好なボンディングにも悪影響を及ぼすことになる。更に、隣接するバンプとの間で回路ショートが発生したり、バンプ間の空間の確保が不十分となって、ボンディング工程後に接合部位を保護するために注入する封止樹脂が半導体チップの表面とボンディングパッドとの間に良好に充填されないという現象も発生する。
【００１４】
【特許文献１】特開平１０−５０７３８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記問題を解決するために、本件発明は、半導体チップが備えるバンプを基板が備えるボンディングパッドに熱圧着してボンディングする時に発生するバンプズレ落ち現象を防止して、微細ピッチを備える高品質のパッケージ半導体を製造できる半導体チップボンディング方法及び半導体チップボンディング装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本件発明に係る半導体チップボンディング方法：  本件発明に係る半導体チップボンディング方法は、基板に半導体チップを実装する半導体チップボンディング方法であって、以下のステップを含むことを特徴としている。
【００１７】
アラインステップ：  半導体チップの一方の面に突出するように形成したバンプと基板の上面にバンプと対応するように形成したボンディングパッドとを上下に対向配置するステップ。
チップボンディングステップ：  半導体チップを基板の方向に移動して半導体チップが備えるバンプを基板が備えるボンディングパッドに圧接して熱圧着するステップ。
荷重検出ステップ：  半導体チップが備えるバンプと基板が備えるボンディングパッドとの間の接触荷重を検出するステップ。
荷重制御・維持ステップ：  半導体チップと基板とをボンディングする間に検出する接触荷重の値が設定荷重に達するまで半導体チップを基板方向に一定速度で送り出し、接触荷重の値が設定荷重に達してからは、その後のボンディング時間に半導体チップと基板との距離を一定に維持するステップ。
バンプ冷却ステップ：  所定のボンディング時間が経過した後、バンプを冷却して固化させるステップ。
【００１８】
また、アラインステップは、以下の工程を含むステップであることも好ましい。
【００１９】
基板固定ステップ：  基板をステージ上に固定するステップ。
チップ配置ステップ：  モーターの駆動によって昇降するボンディングアームに支持されたボンディングヘッドに半導体チップを固定し、基板と半導体チップとを対向配置するステップ。
【００２０】
また、ボンディングヘッドは半導体チップの他方の面を真空吸着により固定するものであることも好ましい。
【００２１】
また、荷重検出ステップは、ボンディングアームとボンディングヘッドとの間に配置されたロードセルにより接触荷重を検出するステップであることも好ましい。
【００２２】
本件発明に係る半導体チップボンディング装置：  本件発明に係る半導体チップボンディング装置は、半導体チップボンディング方法で用いる半導体チップボンディング装置であって、以下に示す構成部品を備えるものであることを特徴としている。
【００２３】
ステージ：  上面にボンディングパッドを形成した基板を固定する部品。
ボンディングヘッド：  一方の面に突出するように形成したバンプを備える半導体チップの他方の面を真空吸着により固定し、基板が備えるボンディングパッドと半導体チップが備えるバンプとが互いに対向するように、基板上に半導体チップを配置する部品。
ボンディングアーム：  ステージの上方に設けたモーターの駆動によって昇降し、ボンディングヘッドを支持する部品。
ロードセル：  ボンディングアームとボンディングヘッドとの間に配置され、半導体チップが備えるバンプと基板が備えるボンディングパッドとの間の接触荷重を検出する部品。
制御デバイス：  モーターに信号を伝送してボンディングアームを下降させ、ボンディングヘッドに固定した半導体チップが備えるバンプを基板が備えるボンディングパッドに圧接してボンディングを行い、半導体チップと基板とをボンディングする間にロードセルが検出する荷重の値が設定荷重の値に達するまで半導体チップを基板方向に一定速度で送り出し、ロードセルが検出する荷重の値が設定荷重の値に達してからは、その後のボンディング時間に半導体チップと基板との距離を一定に維持するように制御する部品。
【発明の効果】
【００２４】
本件発明に係る半導体チップボンディング方法及び半導体チップボンディング装置は、半導体チップが備えるバンプと基板が備えるボンディングパッドとをボンディングする際に、接触荷重を検出して設定荷重の値に達するまで加圧した後に、荷重フィードバック制御を行わず、その後のボンディング時間に半導体チップと基板との距離を一定に維持する。その結果、微細ピッチを備えており、バンプ形成エラー等によりバンプの突出状態が均一ではない場合でもバンプのズレ落ち現象を最小化して高品質のパッケージ半導体を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本件発明に係る半導体チップボンディング方法及びその方法に対応した動作を行う半導体チップボンディング装置の好ましい実施形態を詳しく説明する。
【００２６】
図１に、本件発明に係る半導体チップボンディング方法の第１の実施形態を説明するブロック図を示す。図２に、本件発明に係る半導体チップボンディング方法の第２の実施形態を説明するブロック図を示す。図３に、図１に示す第１の実施形態における半導体チップの移動距離と接触荷重との推移を、ステップを追ったグラフで示す。図４に、本件発明に係る半導体チップボンディング装置の構成を模式図で示す。
【００２７】
本件発明に係る半導体チップボンディング方法及び半導体チップボンディング装置は、バンプＢを備える半導体チップＣとボンディングパッドＰを備える基板Ｓとを一括でボンディングするフェースダウン方式のボンディング技術に適用する。
【００２８】
本件発明に係る半導体チップボンディング方法は、図１及び図２に示すように、アラインステップＳ１０１とチップボンディングステップＳ２０１と荷重検出ステップＳ３０１と荷重制御・維持ステップＳ４０１とバンプ冷却ステップＳ５０１とを含むものであり、アラインステップＳ１０１は基板固定ステップＳ１１１とチップ配置ステップＳ１２１とを含む。
【００２９】
また、本件発明に係る半導体チップボンディング装置は、図４に示すように、ステージ１００とボンディングヘッド２００とボンディングアーム３００とロードセル４００と制御デバイス５００とを備える。
【００３０】
アラインステップＳ１０１では、図２及び図４に示すように、一方の面にバンプＢを突出するように形成した半導体チップＣと上面にバンプＢと対応するようにボンディングパッドＰを形成した基板Ｓとを対向配置する。アラインステップＳ１０１は、図２に示すように、基板Ｓをステージ１００の上に固定する基板固定ステップＳ１１１と、モーターＭの駆動によって昇降するボンディングアーム３００に支持されたボンディングヘッド２００に半導体チップＣを固定し、基板Ｓに対して半導体チップＣを対向配置するチップ配置ステップＳ１２１とを含む。
【００３１】
基板固定ステップＳ１１１では、上面にボンディングパッドＰを形成した基板Ｓをステージ１００の上に固定するが、ステージ１００の上に固定する基板Ｓはコンベヤーやグリッパー（図示せず）などを用いてステージ１００の上に整列した状態で固定する。また、チップ配置ステップＳ１２１は、モーターＭの駆動により昇降するボンディングアーム３００に支持されたボンディングヘッド２００が行う。モーターＭは、正確かつ迅速にボンディングアーム３００を上下に昇降させるためにはリニアモーターを用いることが好ましい。モーターＭに連結したボンディングアーム３００は、モーターＭの駆動により上下に昇降する。ボンディングヘッド２００は、半導体チップＣを固定し、半導体チップＣを基板Ｓに対して上下方向に対向配置する。即ち、図４に示すように、ボンディングヘッド２００は、突出するように形成したバンプＢを一方の面に備える半導体チップＣの他方の面を真空吸着により固定し、半導体チップＣが備えるバンプＢと基板Ｓが備えるボンディングパッドＰとが互いに対向するように半導体チップＣを基板Ｓに対して配置する。基板固定ステップＳ１１１とチップ配置ステップＳ１２１とは従来の技術を適用できるため、詳細な説明は省略する。
【００３２】
荷重検出ステップＳ３０１では、半導体チップＣが備えるバンプＢと基板Ｓが備えるボンディングパッドＰとの間の接触荷重を検出する。ここで、接触荷重とは、半導体チップＣがボンディングヘッド２００に真空吸着により固定した状態で基板Ｓに向って下降し、半導体チップＣに形成したバンプＢが基板Ｓが備えるボンディングパッドＰに圧接する時、バンプＢと半導体チップＣにより上方向に発生する反発力である。この半導体チップＣが備えるバンプＢと基板Ｓが備えるボンディングパッドＰとの間の接触荷重を検出するために、ボンディングアーム３００とボンディングヘッド２００との間にロードセル４００を配置している。
【００３３】
ロードセル４００は荷重計の一種で、外部から加わる力（荷重）の大きさに応じて、圧力を電圧に変換する変換機であり、変形ゲージ式、電気抵抗変形ゲージ式、流圧式や加圧式等の方式を備えるロードセルがある。そして、一般的には変形ゲージ式を用いることが多く、本件発明でも変形ゲージ式のロードセルを用いる。この変形ゲージ式のロードセルは、荷重が加えられると弾性変形する位置に電気抵抗変形ゲージを接着してブリッジを構成している。そのため、出力電圧が荷重に比例する構成であり、精度、直線性や応答性等に優れている。また、小型であり、遠隔配置での測定や測定結果の記録も容易であるという長所を備えるロードセルである。
【００３４】
荷重制御・維持ステップＳ４０１では、図３に示すように、半導体チップＣと基板Ｓとをボンディングする間に検出される接触荷重の値が設定荷重に達するまで半導体チップＣを基板Ｓに向って一定速度で送り出し、接触荷重の値が設定荷重に達してからは、その後のボンディング時間に半導体チップＣと基板Ｓとの距離を一定に維持する。この荷重制御・維持ステップＳ４０１は、図４に示す制御デバイス５００が制御する。
【００３５】
制御デバイス５００は、荷重制御・維持ステップＳ４０１を行うためにモーターＭに信号を伝送してボンディングアーム３００を下降させ、ボンディングヘッド２００に固定された半導体チップＣが備えるバンプＢを基板Ｓが備えるボンディングパッドＰにボンディングする。即ち、ステージ１００の上に固定した基板Ｓに向ってボンディングヘッド２００に固定した半導体チップＣを下降させ、半導体チップＣが備えるバンプＢを基板Ｓが備えるボンディングパッドＰに圧接して熱圧着し、ボンディングする。この時、半導体チップＣと基板Ｓとのボンディング時間は予め設定しておく。そして、半導体チップＣと基板Ｓとをボンディングする間に、ロードセル４００が接触荷重を検出し、ロードセル４００が検出した接触荷重の値と制御デバイス５００に予め設定しておいた荷重の値（設定荷重）とを比較する。
【００３６】
制御デバイス５００は、半導体チップＣを基板Ｓに圧接して熱圧着ボンディングする間、ロードセル４００が検出した接触荷重の値が設定荷重に達するまでモーターＭを駆動してボンディングアーム３００を下降させ、ボンディングヘッド２００に固定した半導体チップＣを基板Ｓに向って一定速度で送り出す。ロードセル４００が検出する接触荷重の値が設定荷重に達した場合、その後のボンディング時間帯に半導体チップＣと基板Ｓとの距離を一定に維持するようにモーターＭの駆動を止める。このように半導体チップＣが備えるバンプＢと基板Ｓが備えるボンディングパッドＰとを圧接して熱圧着させる過程では、バンプＢの形状がボンディングパッドＰに押されて変形する。そこで、最適な変形形状が得られる荷重の値を設定荷重とする。従って、設定荷重は、バンプＢが最適な形状に変形してボンディングパッドＰにボンディングされるように予め実験して求めておく。
【００３７】
上述のように、制御デバイス５００が行う荷重制御では、バンプのズレ落ちが発生してロードセル４００が検出する荷重の値が小さくなっても、引き続いての加圧を行わない。ロードセル４００が検出する荷重の値が設定荷重に達すると、半導体チップＣが備えるバンプＢと基板Ｓが備えるボンディングパッドＰとは一定の距離を維持し、バンプＢが最適な形状に変形してボンディングが完了する。
【００３８】
所定のボンディング時間が経過した後、ボンディングヘッド２００は半導体チップＣの固定を解除し、ボンディングヘッド２００が基板Ｓにボンディングされた半導体チップＣから離脱して上昇し、ボンディングが完了する。この時、半導体チップＣが備えるバンプＢは加熱されて変形した形状を維持するので、バンプＢを冷却するバンプ冷却ステップＳ５０１を行う。
【００３９】
バンプ冷却ステップＳ５０１では、所定のボンディング時間が経過した後、バンプＢを冷却して固化させる。半導体チップＣが備えるバンプＢを基板Ｓが備えるボンディングパッドＰに熱圧着してボンディングが完了した後、バンプＢを冷却して固化させればパッケージ半導体が完成する。一般的なバンプ冷却ステップＳ５０１ではバンプＢを大気中で自然固化させるが、強制的に低温冷却してより迅速に固化させることもできる。
【００４０】
上記本件発明に係る図面や実施形態は、本件発明に係る技術的思想を限定するものではなく、本件発明に係る保護範囲は特許請求の範囲に記載の内容により制限されることを断っておく。本件発明に係る技術分野における通常の知識を持つ者であれば、本件発明に係る技術的思想を様々な形態に改良したり変形したりすることができる。従って、このような改良や変形は、通常の知識を持つ者に明らかである限り、本件発明に係る保護範囲に属する。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本件発明に係る半導体チップボンディング方法及び半導体チップボンディング装置を用いて製造したパッケージ半導体は、微細ピッチを備えるバンプのズレ落ち現象を最小化した高品質のものとなる。従って、このパッケージ半導体は高品質でありながら、電子機器などに実装した後の動作についても信頼性が高いため、高機能化した電子機器の設計が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本件発明に係る半導体チップボンディング方法のステップを示すブロック図である。
【図２】本件発明に係る半導体チップボンディング方法のステップを示すブロック図である。
【図３】図１のブロック図に示す工程における半導体チップの移動距離と接触荷重の推移をステップを追って示すグラフである。
【図４】本件発明に係る半導体チップボンディング装置の構成を示す模式図である。
【図５】従来の半導体チップボンディング方法のステップを示すブロック図である。
【図６】図５のブロック図に示す工程における半導体チップの移動距離と接触荷重の推移をステップを追って示すグラフである。
【図７】バンプのズレ落ち現象を示す模式図である。
【図８】図７に示す現象を伴うチップボンディング工程における半導体チップの移動距離と接触荷重の推移をステップを追って示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
Ｓ  基板
Ｐ  ボンディングパッド
Ｃ  半導体チップ
Ｂ  バンプ
Ｍ  モーター
１００  ステージ
２００  ボンディングヘッド
３００  ボンディングアーム
４００  ロードセル
５００  制御デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010050426.tif 000008
【図７】
2010050426.tif 000009
【図８】
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